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1、RFID二进制树防碰撞算法的研究与实现修改123 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）：计算机与信息工程学院专 业： 通信工程 学 生： 乔军惠 指导教师： 路新华 完成日期 2012 年 4 月 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）RFID二进制树防碰撞算法设计 学 院（系）： 计算机与信息工程学院 专 业： 通信工程 学 生 姓 名： 乔军惠 学 号： 104060820064 指 导 教 师（职称）： 路新华（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2012年4月 南阳理工学院Nanyang Institute of TechnologyRFI

2、D二进制树防碰撞算法设计【摘要】射频识别技术RFID是目前正快速发展的一项新技术，它通过射频信号进行非接触式的双向数据通信，从而达到自动识别的目的。随着RFID技术的发展，如何实现同时与多个目标之间的正确的数据交换，即解决RFID系统中多个读写器和应答器之间的数据碰撞，成为了限制RFID技术发展的难题，采用合理的算法来有效的解决该问题，称为RFID系统的防碰撞算法。在各种算法当中，二进制树算法因为它识别应答器的确定性，成为了应用最广泛的一种，多个国际标准均对其进行了规定，这推动了防碰撞算法的发展，但是也带来了解决思路不统一的矛盾。在传统思路中，一般是通过单片机来进行算法处理，随着RFID技术的

3、发展，未来的一个重要方向是现场可编程门阵列FPGA，做为一种现场可编程的专用集成电路，FPGA拥有高速度，可编程等多个适应于算法处理的优点，从而为RFID防碰撞算法问题开辟了新的有效途径根据上述分析，全文针对RFID系统二进制树防碰撞算法，进行了理论与实践方面的探讨，主要分为三个方面，首先是二进制树算法的理论研究，将现有的二进制树算法进行了归纳，汇总为基本算法，动态算法，退避式算法三类，阐述了各个算法的思路，对其进行了性能评价；其次，在现有的三类防碰撞算法的基础上，提出了一种新的改进型二进制树算法，该算法识别速度快，执行效率高，极大的改进了识别效果。【关键词】：射频识别；防碰撞算法；读写器；应

4、答器；现场可编程门阵列AbstractRFID is anewly developedtechnologywhich communicates through thecontact RF signal，so asto achieve objective automatic identificationAlong with the development of RFID technology，how to realize Data Exchange accurately amongMultiple Targets at the same time becomes the key problem

5、of RFID technologyRFID anti-collision algorithm is the solution to the above mentioned problemsIn all the algorithms，binary algorithm is most widely used as an international standard fbr its exactness ofidentincationInternational standards have put forward manyregulations on binary algorithmIt not o

6、nlypromotes the development of anticoUision algorithm，but also b“ngs the conflict to a unilFied solutionTraditionalideas in general are handled byMCUAlong with the development ofRFID technology，an imponant direction in the future is the field programmable gates arrayFPGAAs kindof integrated circuits

7、thatcanbe programmed in the field，FPGA is fast and programmableAll these adVantagesopenup anewef active way ofRFIDanticollisionarithmeticIn viewof the above problems，this paperprobes into the RFID systembinary prevent collisionfrom the perspectives ofboth theory and practiceIt canbediVided into thre

8、e aspects：6rstly，theoretical researchon binary algorithmIt sums up all thebinary algorithms in being and gather to three categorys suchas Basic algorithm， Dynamic algorithm and Backoff algorithmMoreoVer，it Expounds the idea of the various algorithms and evalues their perf6rmance； secondary，it introd

9、uces an improved version of algorithm onthe basis of specinc standardThis algorithm has fast recognition， high efnciency and greatly improvedthe identification resultsKey Words：RFID；Anticollision；ReadWrite DeVices；Transponders；FPGA目 录1 引言 611 RFID技术简介 612 RFID系统 6121 RFID系统组成 6122 RFID系统分类 7123 RFID

10、系统工作原理 813 RFID技术现状及其发展 8131 RFID技术应用 8132 RFID标准统一化 9133 RFID防碰撞算法 914课题提出的背景及其意义 915本文的主要工作 102 现有RFID二进制树防碰撞算法 1121 RFID防碰撞算法概述 1122 RFID二进制树防碰撞算法概述 11221基本概念 11222性能指标 12223算法分类 1323基本二进制树防碰撞算法 14231算法思路 14232实例演示 15233性能评价 1724动态二进制树防碰撞算法 19241算法思路 19242实例演示 21243性能评价 2225退避式二进制树防碰撞算法 22251算法思路

11、 22252实例演示 24253性能评价 2526本章小结 253 改进型二进制树防碰撞算法 2531涉及二进制树算法的国际标准 25311 IS0 15693 25312 IS014443 2632 IS014443标准二进制树防碰撞算法 27321基本概念 27322算法思路 2833改进型二进制树防碰撞算法 32331改进方向 32332基本概念 32334实例演示 3734本章小结 394 FPGA实现改进型二进制树防碰撞算法 4041 FPGA技术 40411 FPGA简介 40412 FPGA设计流程 40413 FPGA设计工具 42414 FPGA设计语言 45415 Test

12、Bench验证平台 4542 RFID系统中的防碰撞模块 4643 FPGA实现算法流程 4644曼彻斯特解码模块 4745命令处理模块 50451请求命令处理 50452防碰撞命令处理 51453选择命令处理 53454去选择命令处理 5346命令选择模块 5347数据存储模块 5548密勒编码模块 5649模块连接 57410 本章小结 58结论 58致谢 621 引言11 RFID技术简介自动设备识别技术是目前国际上发展很快的一项新技术，英文名称为Automatic Equipment Identif ication，简称AEI，它通过一些先进的技术手段，实现人们对各种设备在不同状态下的

13、自动识别和管理【ll】。目前，应用最广泛的自动识别技术大致可以分为光学技术和无线电技术两种，其中光学技术普遍应用于条形码和摄像两大类，而无线电技术在自动识别领域的应用更具体的名称为射频识别，英文名为Radio Frequency Identification，简写为RFIDI21。RFID技术通过射频方式进行非接触的双向通信，达到自动识别的目的，它源起于上世纪四五十年代，最初是基于雷达与微波理论的发展，自从上世纪九十年代以来，RFID技术快速发展，得到了广泛的应用，进入新世纪后，各个国家，组织还有企业都加大了对RFID技术的投入，生产了大批相应的产品，在多个领域有了成功的应用案例。RFID被誉

14、为二十一世纪的十大战略性产业之一，可以预想，未来RFID技术的发展空间是无限广阔的。12 RFID系统121 RFID系统组成根据实际应用环境，RFID系统结构有多种不同分法，一般来说，一个典型RFID系统包括三个部分：前端信息载体，数据交换环节，后端应用环境【3】。在具体应用中，前端信息载体有多个名称，如标签(Tag)，智能标签(Smart Labels)，射频卡(RF Card)等，本文建议采用应答器(Transponder)这种更具普遍意义的说法。在RFID系统中，应答器放置在待识别的物体上，它内部存储的信息表征着该物品的独一性。通常来说，应答器由耦合元件和微电子芯片组成，主要电气性能为

15、工作频率，读写能力，数据传输率，信息数据存储量，防碰撞能力，信息安全性能等，应答器的分类也是以这些性能为依据的，例如根据存储器可将应答器分为EEPROM，FROM(铁电存储器)，SRAM(静态随机存储器)，根据信息注入方式可分为集成电路固化，现场线改写，现场无线改写，根据电源供给方式分为无源，半无源，有源。一般来说，应用最广泛的是无源+集成电路固化+静态随机存储的应答器。由于在RFID系统中，应答器是大规模生产的。应答器的典型产品有TI公司的6000系列，Philips公司的ICODE等。数据交换环节即RFID系统中的读出写入设备，它是系统的核心部件，是后端应用环境和前端信息载体的数据通道，在

16、实际应用中，往往被称为查询器，扫描器，阅读器，编程器等，本文建议采用读写器(ReadWrite Device)这种更具普遍意义的说法，这样既包括了从应答器中读出信息，同时也包括了向应答器中写入信息。根据天线与读写器模块的分离与否，读写器可以分为分离式和集成式，但无论哪种读写器，其基本结构都是类似的，从硬件部分来说，典型的读写器由三块组成：射频通道模块，控制处理模块，天线。后端应用环境主要完成数据信息的存储及处理，它实质上就是一个数据管理系统，也是一个全局控制系统，一般由PC机或者工作站组成，同时也包括了应用软件在内，整个后端应用环境负责接收来自读写器的数据，并进行存储以及相应的处理，协同调节多

17、个读写器的工作，该部分在应用中常称为中间件(Savant)，它扩展了RFID系统的应用范围和应用能力，是未来RFID系统智能化，大型化发展的有力技术支撑，是RFID技术发展的重要方式。微软公司近年来也介入了RFID技术领域，所瞄准的就是RFID系统后端应用的相关软件和服务。综上所述，一个典型的RFID系统的组成如图所示：图1.1 RFID 系统组成122 RFID系统分类RFID系统依据不同的标准，可以分为很多类别，各个不同的RFID系统，在工作方式和应用范围上，有着各自不同的特点，在应用时要根据实际需要来选择。几种典型的分类方式如下所示：根据作用距离的远近，RFID系统可以分为如下三个方面：

18、(1)密耦合：典型的作用范围为0lcm。(2)遥耦合：典型的作用范围为lcm1m。(3)远距离系统：典型的作用范围为l10m。根据工作频率的大小，RFID系统可以分为如下四个方面：(1)低频：30300KHz，典型应用为134KHz。(2)高频：330MHz，典型应用为1356MHz(3)超高频：300MHz58GHz，典型应用为24G。(4)混频：多个频率的混合使用，典型应用为134KHz+430MHz。根据应答器供电方式，RFID系统可以分为三个方面：(1)无源系统：由读写器负责给应答器供电。(2)半无源系统：应答器内的电池仅做辅助作用。(3)有源系统：应答器内置电池负责供给工作电压。12

19、3 RFID系统工作原理RFID是一门多学科综合技术，涉及到电磁场理论，数字电路，模拟电路，无线电广播，通信原理等多方面知识RFlD系统中，读写器将要发送的信号调制到载波上，经由射频通道，通过天线发送出去，应答器上的电压根据载波的变化而变化，将该电压信号进行整流和滤波后，得到解调后的数据，这是下行链路的过程，应答器传输的数据的变化控制应答器天线上负载电阻的通断，从而促使读写器天线上电压的变化，从而实现了数据的上行链路传输。在数据的双向传输过程中，是通过电磁场的相互感应来实现的，该过程也可以用变压器的模型来予以参考。同时，根据RFID系统的不同，在供电方式上有无源或者有源，调制方式上有幅度调制或

20、者相位调制，数据读取上有电感耦合或者反向散射等区别【5】。13 RFID技术现状及其发展131 RFID技术应用做为一种新兴的自动识别技术，RFID近年来发展很快，在国内国外都取得了广泛的应用，主要体现在以下几个领域【6】。(1)物流管理 物流管理是RFID技术最具应用前景的领域，近年来提出了一个物联网的概念，意在将全球所有的物品信息都用唯一的电子代码来表示，从而将这些物品都联系在一起，可以随时随地的识别，追踪，管理这些物品，最终在产品，用户，企业和政府之间建立但是该应用涉及到的方面太广，技术难度很大，目前还在研究当中。(2)身份识别利用RFID技术，将应答器嵌入到身份证，护照等各种证件当中，

21、甚至植入动物皮毛，用来跟踪和识别目标。这方面应用的典型例子是我国目前实行的二代身份证，它基于ISOIEC14443标准定义的TYPE B类型卡。RFID在身份识别方面的主要问题是频段的局限性，一般使用的是l35KHz和1356MHz的工作频率，这是因为过高的频段容易带来对人体有害的电磁辐射。(3)防伪应用应答器在防伪应用中有识别快速，伪造难，成本低等优点，再加上安全认证和加密功能，就可以大大提高伪造的难度和成本，同时，在识别的时刻，可以通过读写器的快速阅读功能，在瞬间得出所有物品的信息，并加以记录和处理。目前在日本和欧洲已经有了类似的应用。(4)交通管理交通管理是RFID最先应用的领域，目前已

22、经拥有了成熟的技术，它利用了应答器便捷快速识别，可靠性高，安全性强的特点，目前主要应用范围是电子车票，高速公路收费等方面，在我国深圳，基于RFID技术的高速公路收费系统已经得到了成功的应用。RFID技术的应用远不止以上提及的四个方面，它在诸如生产线自动化管理，门禁系统，新生婴儿防错管理，地理信息标识等多个方面都有着广泛应用，可以毫不夸张的说，RFID技术有着良好的发展前景，它孕育的经济效益将是超乎想像的。132 RFID标准统一化RFID最初是各个厂家在各自的独立标准下开发出来的，缺乏统一的规范，因此制约了该项技术在大规模系统中的应用，随着RFID技术的发展，参与到其中的国家，组织，企业也越来

23、越多，目前形成了国际标准化组织ISO，泛在ID中心UID，全球电子产品代码管理中心EPC三大标准体系，这些标准涉及到RFID系统的物理结构，通信协议，防碰撞算法，应用系统接口协议等等多个方面的内容，它们针对不同的频率，基于不同的工作原理，甚至在同样的应用背景下也有着巨大的协议上的区别。而要建立一个全球互联的RFID产品网络，实现RFID技术的飞跃发展，就必须解决标准不统一的难题，近年来，随着RFID技术的应用越发广泛，有识之士都意识到并着手解决这个问题，目前主要有两种思路，一是生产出适应于不同标准，多制式兼容的RFID产品，二是制定一个统一的RFID硕十学位论技术标准。但是RFID本身的技术难

24、度，以及标准带来的经济利益的冲突，使得该目标实施起来非常困难。由此可见，标准统一化问题的重要性与困难性是并存的，这将是一个任重而道远的过程。133 RFID防碰撞算法随着RFID技术的发展，多目标识别成为了一个很重要的应用方向，特别在目标跟踪，物品识别，访问控制等操作中，利用RFID技术，对附着在不同目标上的应答器快速可靠的进行识别，从而大大提高了定位的精确度，管理的自动化促进了整个产业链的发展。因此，如何保证迅速快捷，又安全可靠的同时识别多个目标，就成为了RFID技术发展的关键性技术。在RFID系统中，当工作范围内同时出现了多个读写器和多个应答器时，读写器与读写器之间，应答器与应答器之间的相

25、互干扰，称RFID系统发生了碰撞【7】，从而导致数据不能正确的传输，信息无法得到正确的读取，一方面影响了产品的识别，另一方面还可能导致信息的泄露。在全球信息安全意识广泛普及的背景下，可靠的安全机制成为了RFID技术发展的关键性制约因素，如何有效的解决RFID系统的碰撞问题，成为了技术的关键，对此就需要采用一定的防碰撞算法来对其进行处理。目前关于防碰撞算法的研究还在进行当中，理论成果已经得出了很多，许多国际标准也对一些成熟的算法进行了规定，但是无论在理论效率还是实际应用上，都还存在很大的改进空间。14课题提出的背景及其意义早期的RFID技术很少涉及到防碰撞问题，而在近年来，随着RFID技术的发展

26、，应用范围的扩大，使得防碰撞问题日益成为制约RFID发展的关键技术，原因有两个，首先，早期的RFID一般是近距离感应耦合式系统，其操作频率功率普遍较低，读取的速度慢，范围小，所以也较少有发生碰撞的可能，而目前RFID应用中多目标识别成为了主流方向，这就要求实现在多个物品中正确的识别出单个目标；其次，早期的RFID应用没有统一的规范，各个厂家的RFID产品也仅是应用在单个的系统当中，不存在碰撞的可能，而近年来RFID应用迅速发展，各个不同RFID制造商的产品之间的不兼容，也带来了碰撞问题。总之，由于多目标识别应用的需要，RFID系统防碰撞问题成为了关键技术，为了解决碰撞，可以从硬件和软件两方面着

27、手，由于RFID系统的大规模应用限制了成本，所以，硬件实现是不实际的，因此就需要采用一定的防碰撞算法来予以解决。依前所述，RFID系统碰撞主要有两种情况，读写器碰撞和应答器碰撞，读写器碰撞是一个应答器同时收到不同读写器发出的命令，应答器碰撞是一个读写器同时给不同应答器发送命令。在实际的应用当中，应答器由于其低成本的优越,从而得到大量的生产，而读写器往往是固定在系统的某处，来识别多个应答器，所以碰撞的主要情况是应答器碰撞，即一个读写器的工作范围内同时出现了多个应答器，并且对该读写器发出的命令同时予以响应，从而导致读写器无法正确的识别出一个应答器，称该现象为发生了应答器碰撞。解决碰撞的过程相应的被

28、称为防碰撞，如前所述，该防碰撞过程主要从软件的角度来予以解决，称为防碰撞算法【8】。在上述前提下，基于应答器的确定型二进制树防碰撞算法是目前最好的一种选择，对其进行研究，是最有实际应用价值的，所以，本文将对其进行理论分析与具体实现，在研究过程中，注重与新一代智能RFID系统的结合，应用拥有强大功能的FPGA(FieldProgrammableGateArray)做为算法运行的微处理器，这种思路将是未来RFID技术发展的重要方向，RFID技术中的关键算法与先进的电子技术FPGA的结合，将为RFID技术的应用拓开广阔的前景。15本文的主要工作本文将在RFID技术的前提下，结合当前数字电路设计的主流

29、思路，重点研究RFID的关键技术防碰撞算法，并主要着眼于其中基于应答器的确定性算法，即二进制树防碰撞算法，在理论分析的基础上，对其进行具体实现。基于上述考虑，论文将分四章来予以讲述，文章结构与内容安排如下：第1章：绪论。系统的介绍了RFID技术，描述了典型RFID系统的结构组成，提出了RFID系统的分类思想，讲述了RFID系统的工作原理，以及其应用范围，重点强调了RFID技术的现状和所面临的主要问题，由此体现了研究RFID关键技术防碰撞算法的意义，明确了本文的主要研究内容。第2章：现有RFID二进制树防碰撞算法。概要性的描述了RFID防碰撞算法，对其进行了分类，重点介绍其中的二进制树防碰撞算法

30、，研究了三种最基本的二进制树算法，对其进行了原理阐述，性能分析，以及实例演示。第3章：改进型二进制树防碰撞算法。二进制树防碰撞算法在多个国际标准中均有规定，基于IS014443标准的TYPEA是其中的一个典型例子，本章首先介绍了涉及到二进制树防碰撞算法的几个标准，其次详细研究了ISOl4443标准对二进制树防碰撞算法的规定，最后提出了在此基础上的改进算法，这也是本章的重点。第4章：FPGA实现改进型二进制树防碰撞算法。FPGA技术是目前数字电路设计的主流思路，利用FPGA做主处理器，是RFID技术发展的方向，本章探讨了这一想法，介绍了FPGA技术的相关要点，并应用FPGA，实现了改进型二进制树

31、防碰撞算法。2 现有RFID二进制树防碰撞算法21 RFID防碰撞算法概述RFID系统的数据通信双方是读写器和应答器，在实际的RFID系统工作时，可能会出现同时多个读写器和多个应答器共存的情况，毫无疑问，此时系统的数据交换就会出现信道与时序上的重叠，也就是发生了碰撞，在多个读写器与多个应答器的射频识别系统中，存在着两种形式的冲突方式，一种是同一应答器同时收到不同读写器发出的命令，另一种是同一个读写器同时收到多个不同应答器返回的数据，前者我们称为读写器碰撞，后者称为应答器碰撞【9】，在实际应用当中，一般是读写器做为主设备，来识别多个应答器，所以发生读写器碰撞的应用场合是不多的，因此下文将着重研究应答器碰撞。在上述前提下，有两种类型的通信方式，一种是读写器发送的数据同时被多个应答器接收，称为“无线广播”，另一种是多个应答器的数据同时传送给读写器，称为“多路存取”，两者都是无线电技术中长期面临的难题，同时也发展出一系列相应的解决思路，一般来说分为四种，即空分多路(SDMA)，码分多路(CDMA),频分多路(FDMA)，时分多路(TDMA)，从RFID系统的通信形式、功耗、系统复杂性以及成本多方面